北斗/慣導深組合系統捕獲與環路控制研究

王煥浩，曾慶化，孟　騫，馮紹軍

(1.南京航空航天大學 自動化學院導航研究中心，南京　210016；

2.英國帝國理工交通研究中心，倫敦 英國　SW7 2AZ)

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北斗/慣導深組合系統捕獲與環路控制研究

王煥浩1，曾慶化1，孟騫1，馮紹軍2

(1.南京航空航天大學 自動化學院導航研究中心，南京210016；

2.英國帝國理工交通研究中心，倫敦 英國SW7 2AZ)

摘要：為適應我國對北斗衛星日益廣泛的應用和用戶對于高精度、強干擾能力下的應用需求，提出了一種北斗/慣導深組合系統捕獲與環路控制方案；通過6 ms并行碼相位搜索捕獲方法成功捕獲衛星，同時利用慣導與接收機環路的高度耦合機制實現載波環和碼環的控制；通過仿真試驗表明：該方法能夠成功實現北斗衛星信號的捕獲與接收機環路控制，且跟蹤性能優于傳統接收機環路。

關鍵詞：北斗衛星; 深組合系統; 捕獲; 環路控制

Citation format:WANG Huan-hao，ZENG Qing-hua，MENG Qian，et al.Study on Capture and Loop Control of Deeply BD/INS Integrated System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):77-81.

北斗衛星導航系統是我國自行設計的一種全球導航系統，其致力于向全球用戶提供高品質的定位、導航和授時服務。目前，北斗系統已覆蓋亞太地區，預計到2020年左右能提供全球范圍內導航服務。我國于2012年12月27日發布了北斗系統空間信號控制文件，內容主要包括北斗系統概述、信號規范、導航電文幾部分內容，各高校和院所基于此已開展對北斗衛星相關研究[1]。

受高動態，抗干擾，高精度導航性能需求的推動，衛星/慣導深組合技術成為研究熱點。在傳統的松、緊組合系統中，接收機通道相互獨立，對環路的控制完全由環路內部鑒相器產生。而深組合系統是由已知的慣導解算結果推測跟蹤環路參數，各通道之間實現信息共享，其核心思想是將慣性導航與衛星接收機的跟蹤環路緊密結合在一起，有效提升跟蹤環路性能[2]。目前，國際上許多機構如Draper實驗室利用模擬衛星信號和慣導數據驗證了深組合在抗干擾方面相對于緊組合能提高15 dB，美國的Honeywell公司和Rockwell Collins公司組建深組合研究團隊，在抗干擾接收機上采用矢量跟蹤深組合算法，研制了實物樣機。國外在深組合方面技術成熟，應用趨于產品化[3]。國內的一些科研機構如清華大學、南京航空航天大學、西安618所等都對深組合開展了積極的研究，但基本都處于算法驗證階段，還沒有與深組合相關的成熟產品出現。

深組合系統主要可分為衛星信號的捕獲，跟蹤環路的外部輔助控制和深組合濾波器觀測量的提取及對慣導的修正三大部分[4]。本文主要對北斗信號的捕獲及跟蹤環路的控制這兩塊內容進行說明。

1北斗信號的捕獲

1.1北斗信號的NH碼調制

北斗衛星系統有三種類型的衛星，其中MEO和IGSO衛星播放D1導航電文，GEO衛星播放D2導航電文。D2導航電文的調制機制與GPS相同，而D1導航電文上面調制了NH碼。D1導航電文速率為50 bps,一個信息比特持續20 ms，這期間測距碼重復20次。D1導航電文上采用20 ms碼寬的NH碼來調制導航電文中的一個信息位，稱之為二次編碼。調制過程采用20比特的NH碼(0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0)中的每一比特和1 ms擴頻碼進行調試[5]，如圖1所示。

圖1　NH調制后的北斗導航電文

假設長度為20 ms的1比特的導航電文由20個1組成(也可是20個0)，經過NH碼的調制(調制機制為兩信號進行異或)，得到調制后的導航電文(1,1,1,1,1,0,1,1,0,0,1,0,1,0,1,1,0,0,0,1)。NH碼能降低各衛星信號之間的相關性，提高信號的抗干擾能力，但也增加了信號的復雜性，給接收機尤其是捕獲環節增加了很大的難度。

1.26 ms并行碼相位搜索捕獲方法

捕獲的目的是獲得可見星以及相應的載波頻率和碼相位的估計值，本文采用并行碼相位搜索捕獲方法，通過傅里葉變換實現相關操作。

長度為N的序列x(n)和y(n)的離散傅里葉變換為

(1)

二者的循環互相關序列為

(2)

去掉比例因子1/N,Z(n)的N點離散傅里葉變為

(3)

得到式(3)后，用傅里葉逆變換得到時域表達式。圖2為并行碼相位捕獲流程圖。

圖2　并行碼相位捕獲

天線接收到的北斗衛星信號，與本地產生的載波信號相乘得到I支路信號，與90°相移的本地載波相乘得到Q支路信號，二者組合得到復數信號x(n)=I(n)+jQ(n)，對該信號進行傅里葉變換后，與傅里葉變換后的本地碼信號相乘，輸出結果經過傅里葉逆變換轉化為時域信號，結果中若出現峰值，表示捕獲到當前碼對應的衛星[6]。

捕獲成功的前提是進行捕獲的數據不含比特跳變。傳統的GPS的捕獲是采用一段連續的2 ms的衛星信號，分為兩個1 ms信號，分別進行捕獲操作。由于GPS信號的一個導航電文中全是1或者0，不存在比特跳變，兩個導航電文之間可能存在比特跳變，故2 ms的數據中能夠保證其中有1 ms 的數據不存在比特跳變。如圖3所示，北斗由于采用NH碼調制，導致一個導航電文中存在多次比特跳變，傳統的方法已不適用。對于北斗信號，經過統計方法可以得到，最少應截取6 ms的北斗衛星信號，分成6個1 ms信號進行捕獲操作，則不論信號的起點位于何處，都能保證這6個1 ms的數據中至少有一個1 ms的信號是完全不含任何比特跳變，這樣就能成功實現捕獲。如圖3所示，不論數據起點位于何處，6 ms的數據中都能保證其中有1 ms數據不含比特跳變(圖3中陰影所示)，這樣對于可見衛星才能從輸出結果中得到相關峰值，從而確定衛星號和載波頻率與碼相位的估計值。

圖3　連續多毫秒數據捕獲

2深組合跟蹤環路的外部控制

跟蹤的主要目的是時刻保持本地的載波頻率和碼相位值與衛星信號一致，進而從衛星信號中解調出導航電文，解調方案(圖 4)如下：

圖4　衛星信號解調

首先，輸入信號與本地載波相乘剝離載波，接下來再與本地碼相乘，剝離碼，剩下的即為導航電文。跟蹤模塊需要得到載波頻率與碼相位增量，以此來產生本地載波和本地碼。傳統接收機的復制載波頻率和碼相位增量由接收機環路內部通過鑒相器獲得，而深組合的環路與慣導高度融合，通過慣導的位置，速度以及衛星星歷對載波頻率和碼相位進行估計，將原接收機的閉合環路斷開，各個通道之間不再獨立[7]。這樣環路能充分利用導航信息，且跟蹤性能好的環路可以輔助性能差的環路，從而提高接收機的跟蹤性能。

2.1載波環控制量分析與計算

接收機本地載波頻率由中頻、捕獲到的載波初始多普勒頻移、鎖相環調整量構成，即：

(4)

式(4)中，fI為中頻頻率，fa捕獲到的載波初始多普勒頻移，fI+fa稱為載波中心頻率，fNCO為跟蹤環路產生的載波NCO，即鎖相環產生的調整量。

根據慣導計算得到的載體在ECEF坐標系中的位置Pr、速度Vr以及根據星歷計算得到的衛星位置PS、速度VS來計算環路多普勒頻移量。載體速度及衛星速度在二者徑向上的投影分量為[8]

(5)

慣導計算出的載波跟蹤環的多普勒頻移為

(6)

式(6)中，c為光速，fL1為載波L1的頻率。可以看出，fdI與深組合導航系統輸出的載體位置和速度有關，其中包含慣導的信息量。將載波多普勒頻移送入接收機環路中，控制接收機對載波信號的跟蹤。復制載波信號頻率的計算如下式：

(7)

通過多次實驗發現，利用載體預測的多普勒頻移fdI與原環路多普勒頻移之間存在一個較為穩定的頻率偏差，而該頻率偏差與接收機解算得到的鐘漂頻率Δf基本一致，因此在慣導預測的多普勒頻移上補償上接收機的鐘漂頻率[9]，即

(8)

利用慣導推算的載波頻率frep代替原接收機的閉環計算的載波頻率fcarr來產生本地載波。

2.2碼環控制量分析與計算

信號接收時間tu可以直接在衛星接收機時鐘上讀出。信號發射時間可由下式推算獲得：

(9)

式(9)中Δt為環路相關積分時間間隔，tdI為慣性導航結果估計的信號傳輸延遲時間，為了對復制碼的產生進行控制，可通過間接計算碼相位增量的方法調整本地復制碼的產生，設k+1和k時刻推算的信號發射時間分別為[10]

TOW+(30w+b)×0.020+

(10)

(11)

(12)

式(12)中，λBD為測距碼波長。通過載體位置與衛星位置可以計算得到慣導的偽距ρI，通過光速與信號傳播時間相乘可以得到接收機偽距ρB，二者的差值ρ與碼片誤差γ之間存在如下關系：

(13)

(14)

3北斗/慣導深組合系統仿真實現

3.1仿真條件

仿真時間為48 s；慣性器件數據由設定航跡通過仿真生成，按照中低精度慣導的誤差模型設置仿真參數如下：陀螺儀常值漂移為8 (°)/h，白噪聲均方差為2 (°)/h，一次項系數為5×10-5；加速度計常值零偏為800 μg，白噪聲均方差為260 μg，一次項、二次項系數分別為1×10-3μg、260 μg；使用中頻信號采樣器通過天線采集北斗衛星數據，捕獲門限值設定為3，載波環噪聲帶寬為20 Hz，阻尼因子為0.7，碼環噪聲帶寬為2 Hz，阻尼因子為0.7；為方便對比，接收機跟蹤設置兩種模式：傳統的獨立跟蹤模式和和深組合跟蹤模式。

3.2北斗衛星信號捕獲

圖5為捕獲結果圖，將捕獲的門限值設定為3(門限值若設定太低將導致難以持續跟蹤)，可看到衛星號為1,3,4,5,8,11,12的北斗衛星被成功捕獲。表1為捕獲到的衛星的載波頻率和碼相位(0～16 368)的值。圖6分別為3號與6號北斗衛星捕獲結果關于載波頻率，碼相位和捕獲峰值的三維搜索圖，可以看到3號衛星出現了明顯的峰值，代表捕獲成功，而6號衛星并未出現峰值，表示此時未捕獲該衛星。

圖5　可見星與不可見星

衛星號載波頻率/Hz碼相位14.13134e+006479334.13150e+0061326144.13138e+0061129454.13146e+0061326184.13150e+00611236114.13092e+0068208124.12880e+0067196

3.3深組合環路外部控制

圖7中左圖為傳統接收機的環路跟蹤量，右圖為深組合的環路跟蹤量。

圖7為環路相關值，較大的值為IP，代表導航電文，深組合的IP值比傳統環路更加平滑，毛刺明顯降低。較小的值為QP，代表環路的噪聲，深組合的環路噪聲明顯低于傳統環路。

圖8和圖9為載波環和碼環鑒相器的輸出，它們分別代表環路的跟蹤誤差。從圖8、圖9中可以看出，深組合環路的跟蹤誤差明顯比傳統環路小。

圖6　3號與6號衛星捕獲結果圖

圖7　環路相關值

圖8　載波環鑒相器輸出

圖9　碼環鑒相器輸出

4結論

本文提出的北斗/慣導深組合捕獲和跟蹤的控制方法，一方面，利用6 ms并行碼相位搜索捕獲的方法，能夠在捕獲過程中規避NH碼影響；另一方面，通過中低精度慣導的解算結果推算接收機跟蹤環路控制量，在慣導精度不高的情況下實現了環路的持續跟蹤。試驗表明，該方法能夠成功實現北斗衛星的捕獲并且提升跟蹤環路的性能。

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(責任編輯楊繼森)

Study on Capture and Loop Control of Deeply BD/INS Integrated System

WANG Huan-hao1，ZENG Qing-hua1，MENG Qian1，FENG Shao-jun2

(1.Navigation Research Center of College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2.Centre for Transport Studies, Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College London, London SW7 2AZ, UK)

Abstract:In order to meet the demands of the increasingly wide applications of Beidou and the requirements of the users for high accuracy and strong interference ability, a method of capture and loop control for deeply BD/INS integrated system was proposed. Search method used 6 ms parallel code phase was used to capture the satellites successfully, and the carrier and code loop were controlled by the highly coupling between tracking loop and INS navigation system. The simulation results indicate that this method can capture the Beidou signal and control the tracking loop, and the tracking performance is superior to the traditional receiver loop.

Key words:Beidou satellite; deeply integrated system; capture; loop control

文章編號：1006-0707(2016)03-0077-05

中圖分類號：U666.1;TN967.1

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.019

作者簡介：王煥浩(1990—)，男，碩士，主要從事基礎理論與應用研究。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-10-18

本文引用格式：王煥浩，曾慶化，孟騫，等.北斗/慣導深組合系統捕獲與環路控制研究[J].兵器裝備工程學報，2016(3):77-81.

【信息科學與控制工程】